Bestandteile und Konstruktion der Oberleitung
Bei der Vielzahl elektrischer Bahnen, von den Werksbahnen über die Straßenbahnen bis zum Hochgeschwindigkeitsverkehr der Bahn, ist es klar, dass
es auch unterschiedliche Oberleitungskonstruktionen gibt. Grundsätzlich können zwei Bauarten unterschieden werden:
- Der Einfachfahrdrahtleitung. Sie ist eine schlichte Leitung an Befestigungspunkten. Meistens ist es nur eine Leitung die im ZickZack-Kurs verläuft. Dabei ist die
Leitung sowohl Fahrleitung, als auch Spannleitung. Diese Hochsoannungsleitung kann aber nur für geringe Geschwindigkeiten eingesetzt werden.
- Die Kettenfahrdrahtleitung ist die übliche Fahrleitung für die DB-Bahnen. Sie besteht aus dem Fahrdraht, dem Tragseil, Hängern, teilweise Beiseilen sowie Stromverbindern, die zur Gleislängsachse beweglich abgespannt sind. Durch die Kettenwerksbauform sind größere Feldspannweiten zwischen den
Maststützpunkten möglich. Der Durchhang des Fahrdrahtes kann somit reguliert werden. Der Einbau eines Beiseils (sogenanntes Y-Beiseil) bietet eine
größere Elastizität der Fahrleitung, wodurch höhere Geschwindigkeiten von Elloks ermöglicht werden. Die maximale Länge eines nachgespannten Abschnittes
beträgt in Deutschland 750 Meter je Richtung vom Festpunkt aus.
Für den Bau einer Oberleitung werden nicht sehr viele Bestandteile benötigt. Im Einzelnen sind dies:
- der Mast (Streckenmast, Mittelmasten, Quertragwerke, Turmmasten, Winkelmasten)
- Oberleitungsausleger
- Fahrdrähte
- Mast mit Spannwerk
- Isolatoren
Die Masten
Die Masten der Oberleitung sind bei der DB-AG entweder aus Stahl (Stahlgittermasten) oder Schleuderbeton (mit Stahleinlage). Holzmasten werden bei der DB-AG nicht mehr verwendet und sind auch auf Nebenstrecken in der Regel nicht mehr zu finden. Bei Neubaustrecken werden meist sog. Aufsetzmaste mit Flansch gebaut, die auf Ortbeton- oder Fertigteilfundamente aufgesetzt und verschraubt werden. Die Mastfundamente werden seit einigen Jahren bevorzugt gerammt.
Mit der Einführung der Eisenbahn-Bau- und Betriebsordnung (EBO) wurde in der Bundesrepublik eine Mindestfahrdrahthöhe von:
Lichte Höhe: 4,95 m
+
Anhebung durch den Stromabnehmer in Höhe von 10 cm
+
Mindestsicherheitsabstands zu nicht unter Spannung stehenden Anlagenteilen von 30 cm eingeführt.
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Gesamt Mindesthöhe über dem Gleis: 5,35 m
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Die von der DB Netz ausgeführte Regelfahrdrahthöhe beträgt 5,50 m. Bei den Hochgeschwindigkeitsstrecken 5,30 m.
Bei unterirdischen S-Bahnstrecken muss sich der Fahrdraht mindestens mind. 4,80 Meter und max. 6,50 m über der Schienenoberkante befinden.
Streckenmasten und die Querausleger
Streckenmaste werden in der Regel auf der freien Bahnstrecke aufgestellt. Dabei ist der Gittermast der häufigste. Bei geeignetem Untergrund werden auch Betonstreckenmasten verwendet. Die Masten der Oberleitung bestanden in den frühen Jahren der Eisenbahn aus Holz, später aus Stahl oder
Schleuderbeton. Sie halten über einen Ausleger den Fahrdraht über den Schienen. Dabei werden die Masten jeweils mit einem kurzen und einem
langen Ausleger bestückt, was die Abnutzung deutlich vermindert. Die Oberleitung wird also im Zickzack über dem Gleis verlegt.
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Ausleger und Stützrohre sind in der Regel schwenkbar mit den Masten verbunden, sodass mit ihnen die Längenausdehung beim
Abspannen der Fahrdrähte und Tragseile ausgeglichen werden kann. Die Länge der Ausleger richtet sich nach den Mastabständen vom Gleis.
Im Signalbereich stehen die Masten meist etwas weiter vom Gleis entfernt, um die freie Sicht auf die Signale nicht zu behindern.
Bei der Einheitsfahrleitung von 1928 waren die Fahrdrähte zunächst noch direkt an den Stützrohren befestigt. Ab 1939 und bei der
Einheitsfahrleitung von 1950 kamen die Seitenhalter zum Einsatz, um die erforderliche Seitenverschiebung zu erreichen.
Mit dieser Bauweise konnte zudem die nachträgliche Korrektur der Fahrdrahtlage leichter vollzogen werden.
Bei den Auslegern der Schnellfahroberleitungen Re 250 und 330 sind zusätzliche Aussteifungen und Windsicherungen verbaut, um eine möglichst hohe Elastizität zu erreichen und die exakte Fahrdrahtlage auch bei den hohen Geschwindigkeiten gewährleisten zu können.
Es ist somit klar, mit steigender Geschwindigkeit werden die Konstruktionen der Ausleger aufwendiger. Beispiele von Auslegern siehe nachfolgendes Bild.
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Der bei der DB-AG verwendete Oberleitungsausleger ist nachfolgend dargestellt.
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Mittelmasten
Mittelmasten werden meist auf freier Strecke, bei zweigleiser Schienenführung und im Bahnhofsbereich verwendet.
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Quertragwerke:
Der Begriff Quertragwerk ist eine Konstruktion zur Befestigung von Oberleitungen vor allem im Bereich von Bahnhöfen und mehrgleisigen Bahnstrecken. Kennzeichnend für Quertragwerke ist, dass sie mehr als ein Gleis überspannen und an zwei Masten aufgehängt sind. Seit dem Jahre 1973 wurden von
der Deutschen Bundesbahn keine neuen Quertragwerke gebaut. Von der DB-AG werden seit 1990 Quertragwerke nur noch in Ausnahmefällen
neu errichtet, da man die möglichen negativen Auswirkungen eines Fahrleitungsschadens auf alle durch ein gemeinsames Tragwerk verbundenen
Oberleitungen mehr fürchtet als die höheren Baukosten durch Einzelmastkonstruktionen. Bei höheren Geschwindigkeiten ist außerdem das Schwingungsverhalten ungünstig. Diese Aussage gilt auch für In Österreich.
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In Güterbahnhöfen ist es dagegen sehr vorteilhaft, dass keine zusätzlichen Mastgassen benötigt werden und der dadurch verfügbare Platz
genutzt werden kann.
Es gibt unterschiedliche Bauformen der Quertragwerke:
- Querjoch
- Drahtjoch
- Querfeld
Das Querjoch
Das Querjoch besteht aus einer festen Konstruktion aus Walzeisen oder Gitterprofilen, an denen die weitere Oberleitungskonstruktion befestigt ist. Diese Bauform ist in der Schweiz weit verbreitet.
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Das Drahtjoch
Die Bauform Drahtjoch ist ein Querfeld, bei dem ein mittleres Richtseil zusätzlich eingeführt ist, das eine andere Konstruktion der isolierten Halterung von nachgespannten Oberleitungstragseilen ermöglicht.
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Das Querfeld
Die Bauform Querfeld mit Querseilaufhängung ersetzt die feste Walzeisenkonstruktion durch eine Kombination aus einem
doppelt geführten Quertragseil, einem oberen und einem unteren Richtseil sowie mehreren Richtseilhängern, die für die
Höhenstabilisierung des unteren Richtseils verantwortlich sind.
Zwei Richtseile, ein oberes und ein unteres, halten die Fahrleitung über den Gleisen.
Das Querseil und das obere Richtseil sind geerdet. Die Verspannung der Querseile richtet sich nach den Gleisen.
Asymmetrische Gleisanordnung spiegelt sich auch im Querseil wieder.
Beiderseits des Tragwerkes dienen Turmmaste als Tragkonstruktion zur Abspannung. In der kurzen Ausführung sind sie besonders für die Aufnahme der Abspannvorrichtungen geeignet. Die große Ausführung wird zum Überspannen von mehreren Gleisen eingesetzt. Je nach Anzahl der Gleise können mehrere Turmmaste in eine Reihe gestellt sein. Insbesondere in engen Bögen kann auch das obere Richtseil spannungsführend sein.
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Fahrdähte
Die Deutsche Reichsbahngesellschaft normte bereits früh die Fahrdrahtkonstruktionen. Die erste Einheitsfahrleitung war die
Bauart 1928. Die Deutsche Bundesbahn führte im Jahre 1950 eine weitere Einheitsfahrleitung ein. Später wurden die sog.
Einheitskonstruktionen nach der zugelassenen Geschwindigkeit bezeichnet. Dazu wurden den Drahtbezeichungen ein "Re" für „Regelfahrleitung“
vorangestellt. Die jweiligen Regelquerschnitte unterscheiden sich in den Abständen der Stützpunkte, bei den Aufhängungen und den Nachspannstärken.
Bei der großen Eisenbahn besteht der Fahrdraht aus einer speziellen Legierung. Die Materiallegierungen des Oberleitungsdrahtes beeinflussen die zu übertragende Stromstärke.
Die Beschaffenheit eines Fahrdrahtes hängt von verschiedenen Faktoren ab, die von der Nutzung der Oberleitung abhängig ist. Es ist
bei der Fahrdrahtauswahl somit entscheidend obe es sich um eine Schnellverkehrstrasse (ICE), eine normale Streckenverkehrstrasse, eine Nebenstrecke
oder eine Schmalspurbahn handelt. Auch die jeweiligen Bahnverwaltungen haben unterschiedliche Materiallegierungen für den Fahrdraht.
Bei der DB-AG sieht dies folgendermaßen aus:
Die verwendeten Fahrdrähte für Hochgeschwindigkeitsstrecken besitzen eine Querschnittsfläche von 20 mm².
Der Fahrdraht hat zur besseren Befestigung seitlich zwei Rillen (Rillenfahrdraht) und besteht normalerweise aus Kupfer,
entweder chemisch rein oder mit geringem Cadmium-, Silber-, Zinn- oder Magnesiumanteil, um seine Zugfestigkeit zu erhöhen.
Zur Verstärkung der Zugfestigkeit kann der Fahrdraht neben dem Kupfermantel auch eine Seele aus Stahldraht enthalten.
Die Fahrleitungen werden in der Regel als sog. Kettenwerk ausgeführt. Einfachfahrleitungen gibt es nur noch dort, wo
mit geringer Geschwindigkeit gefahren wird - z.B. auf Straßenbahnstrecken, auf Kopf- und Nebengleisen, bei Werkbahnen, Bergbau.
Die Kettenfahrleitung (auch Kettenwerk genannt) ist die Regeloberleitungsbauform in vielen Ländern. Sie besteht aus:
- dem Fahrdraht
- dem Tragseil
- den Hängern
- teilweise Beiseilen
- 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) bietet eine größere
Elastizität der Fahrleitung, wodurch höhere Geschwindigkeiten von Elektro-Triebfahrzeugen ermöglicht werden.
Die maximale Länge eines nachgespannten Abschnittes beträgt in Deutschland 750 Meter je Richtung -- vom Festpunkt aus.
Die Bezeichnung der Fahrdrähte lauten:
Re250/330
Re200
Re160
Re100
Re75
Das nachfolgende Bild zeigt die heute gängigen Regelfahrdrähte und deren Abmessungen.
Die Maße gelten für Fahrleitungen in der Geraden oder bei Radien über 2000 m.
Bis zu Geschwindigkeiten von 200 km/h beträgt die Längsspannweite 80 m.
Hier sind nur die Hängerabstände unterschiedlich, zudem werden die Aufhängungen am Stützpunkt mit Y-Beiseilen komplexer,
so dass die Elastizität vergrößert wird.
Bei den Schnellfahrleitungen Re 250/330 wird außerdem der Stützpunktabstand auf 65 m verringert.
In Bögen reduzieren sich die Längsspannweiten, da sonst die maximale Seitenverschiebung nicht mehr eingehalten werden kann.
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Ein Tragseil trägt den eigentlichen Fahrdraht und hält ihn einigermaßen waagerecht 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
(deshalb die Bezeichnung Kettenfahrleitung). Um die beim schnellen Durchgang von Stromabnehmern entstehende Fahrdrahthebung zu dämpfen, ist
die Aufhängung des Tragseils bei Fahrleitungsbauarten für höhere Geschwindigkeiten ebenfalls flexibel ausgeführt. An den Stützpunkten wird
dafür ein Y-Beiseil eingebaut, das seinerseits über einen bis vier Hänger den Fahrdraht im Stützpunkbereich trägt und Masseanhäufungen, die sonst an
den Stützpunkten auftreten und zum Springen der Paletten beim Durchgang führen, vermeiden.
Im nachfolgenden Bild, wird der derzeit von der DB-AG verwendete Fahrdraht, mit den entsprechenden Bezeichnungen, dargestellt.
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Die Spannmasten
Um den Fahrdraht in der richtigen Höhe zu halten und eine ausreichende Stabilität gegen äußere Einflüsse zu erhalten, werden die
Fahrdrähte und – je nach Bauform – auch die Tragseile nachgespannt. Die einzelnen Fahrdrähte oder Kettenwerke (bei der DB-AG üblich) werden dazu in sogenannte
Nachspannabschnitte unterteilt, an deren Ende sich Nachspannvorrichtungen befinden. Kettenwerke und Fahrdrähte sind in der Mitte eines solchen
Nachspannabschnittes am sogenannten Festpunkt fixiert und werden von dort aus zu beiden Seiten nachgespannt.
Die Länge des Nachspannabschnittes ergibt sich aus dem Abstand zwischen den beiden Spannwerken.
Der Übergang bei zwei Nachspannabschnitten erfolgt mit einem sogenannten Überlappungsbereich. Hier werden zwei Kettenwerke
parallel geführt. Bei älteren Oberleitungskonstruktionen ist dazu ein Mast mit Doppelausleger erforderlich. Bei modernen Bauformen gibt es mehrfeldrige Überlappungen. Dabei handelt es sich um über mehrere Stützpunkte mit Doppelauslegern parallel geführte Kettenwerke. In der Regel handelt es sich um
dreifeldrige Überlappungen, bei denen zwischen den Abspanneinrichtungen zwei Masten mit Doppelauslegern montiert sind. Die Nachspannlänge
bemisst sich durch die maximale Länge vom Festpunkt zur Nachspanneinrichtung, also der halben Nachspannlänge.
Um die Nachspannungen im Fahrdraht realisieren zu können, sind die Auslegerrohre beweglich montiert, damit sie den Bewegungen des Fahrdrahtes folgen können. Die Bewegung an den Auslegern muss sich allerdings in Grenzen halten, da sie sonst die Fahrdrahtlage beeinflusst.
Bei einer Längsspannweite zwischen zwei Stützpunkten von 80 m in der Geraden kommt man also auf elf Felder mit Kettenwerken.
In der Regel sind max. alle 1,5 km Abspannmasten erforderlich.
An der Überlappung der beiden Kettenwerke kann es beim Abgreifen des Pantographen zu einem Lichtbogen kommen. Da dieser die
Fahrleitung zerstören kann, darf eine Überlappung nicht unter einer Mindestgeschwindigkeit befahren werden.
Signale müssen daher bei Fahrleitungen, die mit weniger als 200 km/h befahren werden, 100 m von der Überlappung entfernt aufgestellt werden.
Zwischen einem Signal und dem Weichenanfang der zuerst folgenden Weiche müssen sogar 205 m liegen.
Spannwerke sind an zweigleisigen Strecken immer an gegenüberliegenden Masten angeordnet. Grundsätzlich wird die Fahrleitung über ein Gewicht gespannt.
Die Spannung des Drahtes erfolgt dann über Hebel oder Umlenkrollen. Spannwerken gibt es in verschiedene Bauarten und zwar als:
- Radspannwerk
- Rollenspannwerk
- Hebelspannwerk
Das Radspannwerk
In Deutschland kommen heute bei den Hauptbahnen nur noch Radspannwerke zum Einsatz. Hier ist ein Spannrad mit zwei
Seiltrommeln auf einer gemeinsamen Achse vorhanden. An der kleineren Trommel ist die nachzuspannende Fahrleitung mit flexiblen Stahlseilen
befestigt, an der größeren Seiltrommel wirkt das Gewicht der Nachspannmasse. Eine Sperrvorrichtung verhindert, dass bei einem Seilriss die
Nachspannmassen auf den Boden aufsetzen und zusätzliche Kräfte in die Fahrleitung einbringen.
Radspannwerke -- Vergrößern - Bild anklicken
Es gibt außerdem Radspannwerke, bei denen Fahrdraht und Tragseil separat nachgespannt werden können.
Dies wird bei den Bauformen der Fahrleitung für höhere Geschwindigkeiten erforderlich. Dazu sind zwei parallele Spannvorrichtungen
am Mast angeordnet, aber auch die Nachspannung von Fahrdraht und Tragseil mit nur einem Nachspanner über eine Traverse ist möglich – dies
war bei den Fahrleitungskonstruktionen der Deutschen Reichsbahn in der DDR die Regel. Ältere Konstruktionen spannen nur den
Fahrdraht nach, das Tragseil wird dagegen nicht gespannt.
Das Radspannwerk (DB-Bauart) dient zur getrennten Abspannung von Tragseil und Fahrdraht. Es werden Masten aus Schleuderbeton,
Stahlflachmast bzw. Stahlgittermasten verwendet. Das Kettenwerk wird an den Stützpunkten von einer Auslegerkonstruktion aus mehreren Rohrstäben
getragen, die etwa die Form eines „Z“ bilden.
Die Seitenhalter, die den Fahrdraht seitlich führen, werden bei Fahrleitungsbauarten für geringere Geschwindigkeiten direkt am Ausleger befestigt und
wechselnd auf Zug und Druck belastet, sodass der Fahrdraht in der horizontalen Ebene im Zickzack verläuft. Bei Fahrleitungen für höhere
Geschwindigkeiten wird an jedem Stützpunkt ein zusätzliches Stützrohr eingebaut. Damit werden die Seitenhalter einheitlich auf Zug belastet, zusätzlich
können sie kleiner und leichter ausfallen.
Das Rollenspannwerk oder Flaschenzugspannwerk
Rollenspanner funktionieren nach dem Prinzip eines Flaschenzuges, bei dem mit mehrfacher Übersetzung die Kraft des Spanngewichtes
auf die Fahrleitung übertragen wird. In der Epoche II waren sie oft auch auf Hauptstrecken eingesetzt. Auf den Bahnstrecken in Deutschland
kommen sie nicht mehr zum Einsatz. Bei Lokalbahnen oder im Ausland sind sie noch zu finden.
Rollenspannwerk -- Vergrößern - Bild anklicken
Das Hebelspannwerk
Eine frühe Konstruktion sind auch die Hebelspannwerke, bei denen die Gewichtskraft über einen Hebel verstärkt auf die Fahrleitung übertragen wird.
Hebelspannwerke -- Vergrößern - Bild anklicken
Die Isolatoren
Isolatoren werden im Oberleitungsbau zu Befestigung der Oberleitungen eingesetzt um die Masten nicht unter Strom zu setzen.
Isolatoren haben somit die Aufgabe, die stromführenden Leitungen von den Trag- und Stützkonstruktionen zu isolieren um
Personen die sich im Bereich der Oberleitung aufhalten keinen Stromschlag auszusetzen. Aber auch Vögel schützen Isolatoren vor
Stromschlägen.
Oberleitungsisolatoren -- Vergrößern - Bild anklicken
Die Streckentrenner und die Schutzstrecke
Eine Schutzstrecke besteht aus zwei kurz aufeinanderfolgenden Streckentrennungen und ist bei der DB-AG im Regelfall 35 m lang (verkürzte Schutzstrecke sieben Meter).
Schutzstrecken müssen mit ausgeschaltetem Hauptschalter befahren werden, da sonst ein Lichtbogen zwischen dem ablaufenden, spannungsführendem Fahrdraht und der
Palette des Stromabnehmers entsteht.
Die Länge einer klassischen Schutzstrecke ist so ausgelegt, dass auch beim Befahren mit zwei angelegten Stromabnehmern auf einem Triebfahrzeug keine Überbrückung
durch die elektrische Anlage des Fahrzeugs erfolgt. Der Fahrdraht des endenden Speiseabschnitts wird nach oben und zur Seite weggeführt. Der Stromabnehmer kann,
ohne den Kontakt zum Fahrdraht zu verlieren, auf dem neutralen Abschnitt weiterlaufen, bis der des folgenden Speiseabschnitts von der Seite und von oben
herangeführt wird. Der dazwischen liegende neutrale Abschnitt ist bei geöffneter Schutzstrecke spannungsfrei, sodass der Zug aufgrund seiner Trägheit weiterfährt. Schutzstrecken der Regelbauart können durchgeschaltet sein und dann mit eingeschaltetem Hauptschalter befahren werden.
Verkürzte Schutzstrecken bestehen aus zwei in kurzem Abstand aufeinanderfolgenden Streckentrennern mit dazwischenliegendem neutralen Fahrdrahtabschnitt.
Dieser kann nicht hilfsweise zugeschaltet werden, da sonst Triebfahrzeuge mit zwei angelegten Stromabnehmern diesen überbrücken würden.
Solche verkürzten Stromstrecken sind bei der österreichischen Bundesbahn ÖBB ab 1970 eingeführt worden, bei den deutschen Bahnen ab 1984.
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